评估在混凝土玉米筒仓中使用二氧化碳改良气氛熏蒸技术的可行性、气体分布情况以及杀虫效果

《Journal of Stored Products Research》：Assessing CO 2-Modified atmosphere fumigation in a concrete maize silo for feasibility, gas distribution, and insect control efficacy

CO2熏蒸在大型粮仓中的可行性研究，通过间歇式循环和压力控制策略，维持CO2浓度≥35%，有效杀灭所有成虫且成本低于1元/吨，揭示了空间分布梯度与压力动态关系，为工程优化提供依据。

　　

林杰|罗圆仪|王双林|严晓萍|胡坤|肖宏伟

中国农业大学成都储藏研究院有限公司，成都，610091

摘要

尽管二氧化碳（CO₂）改良大气是一种成熟且环保的包装和小规模储藏单元杀菌技术，但其在大规模粮仓中的可行性和操作动态仍缺乏充分研究。本研究评估了在10,000吨混凝土玉米粮仓中应用CO₂熏蒸的效果，重点关注CO₂的时空分布、吸附引起的压力变化以及杀菌效果。自动化系统持续监测多个空间位置的气体浓度和粮仓压力，同时将四种实验室饲养的昆虫放置在粮仓内以评估其死亡率。结果表明，间歇性的向下循环使粮仓内的平均CO₂浓度在16天内保持在35%以上。此外，单向进气阀有效将早期负压限制在370帕斯卡（Pa）以下。观察到明显的水平和垂直CO₂浓度梯度，尤其是靠近仓顶的区域未能维持有效的浓度。粮仓循环显著提高了气体均匀性并减少了分层现象。所有成年昆虫的死亡率均为100%，处理前后玉米的含水量没有显著变化。总处理成本低于每吨1元人民币，低于之前报道的大规模CO₂熏蒸成本。因此，间歇性向下循环结合适当的压力管理为大规模粮仓提供了可行且经济高效的CO₂熏蒸方法，为优化循环和压力控制策略提供了实用的工程见解。

引言

在许多发展中国家，由于昆虫侵害、啮齿动物和真菌污染，储藏粮食的产后损失可达到50-60%（Kumar和Kalita，2017年）。作为长期储存的主要设施，粮仓极易受到害虫的影响，是产后损失最严重的阶段之一。因此，开发高效和可持续的害虫管理技术以有效控制大规模粮仓中的害虫至关重要。目前，磷化氢仍是全球范围内最广泛使用且成本效益最高的储粮熏蒸剂（Opit等人，2012年）。然而，磷化氢具有高毒性，对工人健康和周围环境构成重大风险。此外，许多主要储粮害虫已对磷化氢产生了不同程度的抗性（Chen等人，2015年；Nayak等人，2020年）。在全球向绿色储粮和减少农药使用的趋势背景下，迫切需要寻找安全、有效且无残留的替代方案。

在改良大气（MA）储粮过程中，氮气（N₂）和二氧化碳（CO₂）是最常用的两种惰性气体用于害虫控制。两者都通过改变粮仓内部大气来实现效果，但其机制和效果存在显著差异。N₂主要通过降低氧气浓度来窒息害虫（Cao等人，2019年），而CO₂则通过多种机制发挥杀虫作用，包括破坏呼吸系统和神经系统、诱导麻醉和毒性以及扰乱酸碱平衡（Cui等人，2019年）。大量研究表明，CO₂-MA对所有储粮害虫的生命阶段（卵、幼虫、蛹和成虫）都具有高效性。例如，在初始CO₂浓度为50%的条件下，4天的暴露时间可使几种主要储粮害虫的成虫死亡率达到100%，包括Oryzaephilus surinamensis、Cryptolestes ferrugineus和Tribolium confusum，同时卵和幼虫也能在相同时间内被完全控制；将暴露时间延长至12天可消灭所有蛹（Riudavets等人，2009年）。同样，40%的CO₂在7天内可使Callosobruchus maculatus的成虫死亡率达到100%（Ingabire等人，2021年）。相比之下，N₂-MA的效果高度依赖于维持极高的浓度。先前的研究表明，当N₂浓度低于97%时，害虫死亡率会显著下降（Jay和Cuff，1981年）。即使在95%的N₂条件下连续20天，Sitophilus granarius的成虫死亡率也只有82.3%±2.0%（Aulicky等人，2022年）。相比之下，CO₂-MA通常只需要维持≥35%的浓度约14天，就能实现对大多数害虫的稳定可靠控制（Kumar等人，2022年）。从工程角度来看，CO₂-MA对气密性的要求较低，更适合大规模粮仓应用（Lin等人，2025年）。

尽管CO₂-MA技术在实验室规模上已得到广泛研究，但针对工程实施的研究仍然有限。大多数现有工作是在小型密封舱中进行的，评估暴露时间、浓度、温度等因素对昆虫死亡率的影响（Hashem等人，2016年、2021年；Gad等人，2025年）。只有少数试验在中型储粮系统中进行。关于大粮仓（5,000-10,000吨）中CO₂的时空分布、分层行为及相关压力动态等关键方面，很少有研究，导致工艺设计和操作控制存在明显不足。

例如，Jonsson等人（1990年）在3,929吨玉米粮仓中使用了5.05吨CO₂，但10天后的CO₂浓度仍远低于有效杀菌所需的35%阈值。在另一项研究中，Wang等人（2024年）使用近13吨CO₂对约4,813吨水稻进行熏蒸，观察到明显的垂直CO₂梯度，但未系统评估水平变化。虽然这些研究监测了CO₂浓度，但由于采样间隔较长，无法捕捉详细的时空动态。此外，没有研究熏蒸过程中的压力变化或采取压力调节措施。

因此，对于容量接近一万吨的大粮仓，CO₂的分布模式和CO₂-MA条件下的关键工艺参数仍不清楚。与以往的研究相比，本研究首次综合分析了10,000吨粮仓中CO₂的分层、循环性能和吸附引起的压力动态。研究目的是阐明CO₂-MA储存过程中CO₂浓度的时空演变和分层行为，评估循环操作在提高CO₂浓度均匀性方面的可行性，以及评估压力调节装置在控制吸附引起的压力变化方面的有效性，为优化大粮仓中的CO₂-MA储粮过程提供新的工程见解。

粮仓概述

实验在一个内径为25米、总高度约为30米的浅层混凝土粮仓中进行。储存期间的实际粮食高度为25.4米。该粮仓设计可容纳10,000吨粮食，在研究时装有9,884吨玉米，这些玉米自2024年1月起储存至今。储存时，玉米的初始含水量为13.8%，杂质含量为0.8%。粮仓内部安装了两个循环系统

整个粮仓的平均浓度

图6显示了密封储存期间的日平均CO₂浓度及其变化情况。在此期间，粮仓内的平均CO₂浓度持续下降，分为两个阶段：从熏蒸第1天到第8天的快速下降阶段，以及随后的缓慢衰减阶段。密封后的前八天内，平均CO₂浓度从61.60%急剧下降到41.80%，表明由于扩散和玉米的吸附作用导致大量气体损失

讨论

在整个CO₂改良大气处理过程中，尽管整个粮仓的平均CO₂浓度始终保持在35%以上，但在顶部空间观察到了明显的波动。这一区域的有效CO₂水平仅在循环系统运行期间间歇性地达到并维持。大多数时间内，顶部空间的CO₂浓度相对较低，表明该区域是最脆弱的区域

结论

本研究表明，在CO₂改良大气处理过程中，大型浅层圆形粮仓的顶部空间是最脆弱的区域。在该区域，CO₂浓度下降最快，且容易因扩散而损失，从而直接影响系统的稳定性和整体杀菌效果。水平和垂直方向上都观察到了明显的浓度梯度。水平方向上，靠近粮仓壁的浓度

作者贡献声明

林杰：撰写初稿、调查、数据分析、概念构思。罗圆仪：撰写、审稿与编辑、监督、数据分析。王双林：撰写、审稿与编辑、监督、概念构思。严晓萍：撰写、审稿与编辑、项目管理、资金筹集。胡坤：撰写、审稿与编辑、项目管理、数据分析、概念构思。肖宏伟：撰写、审稿与编辑、监督

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（2023YFD1701204）和中国农业大学的2115人才发展计划的支持。